大容積車載液氫瓶儲運過程中的導熱性能數(shù)值模擬分析

摘 要：為研究大容積車載液氫瓶儲運過程中的液氫瓶導熱安全性問題，結(jié)合實際車載液氫瓶結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，在不同環(huán)境溫度、壓力以及加速度等參數(shù)變化情況下，分別對液氫瓶啟停工況下單一參數(shù)和多參數(shù)耦合變化時液氫瓶內(nèi)部溫度及熱通量變化進行模擬分析。結(jié)果表明：單一參數(shù)變化時，隨著加速度增大，瓶內(nèi)熱通量升高；瓶內(nèi)壓力增大，熱通量降低；環(huán)境溫度越高，熱通量越高。雙因素耦合時，加速度增大會抑制環(huán)境溫度降低對瓶內(nèi)熱通量的降低作用，同時促進壓力升高對瓶內(nèi)熱通量的降低作用；壓力增加會抑制環(huán)境溫度升高對瓶內(nèi)熱通量的增加作用。

關(guān)鍵詞：熱通量；導熱性；計算流體力學；液氫；大容積車載液氫瓶

中圖分類號：X933.4 文獻標志碼：A

0 引 言

目前潔凈、無污染的氫能已成為世界發(fā)展焦點［1］，在氫的制取、儲備、運輸、供應(yīng)以及氫燃料電池等技術(shù)方面有新的突破。近年來中國也頒布政策，積極推進氫能發(fā)展規(guī)劃［2］。大容積車載液氫瓶由于機動性強、儲存容積大等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。但因其內(nèi)外溫差大，且液氫沸點和汽化潛熱低，極易導致液氫汽化，給液氫瓶的設(shè)計、制造、使用和管理帶來安全隱患，研究液氫瓶的導熱安全性成為一個重要課題。

國內(nèi)外學者對大容積液氫瓶的導熱安全性開展了大量研究。Cirrone等［3］更新了針對火災實驗中大容積高壓儲氫罐破裂的CFD模型；Joseph等［4］建立了大容積液氫瓶的瞬態(tài)多相熱力學模型研究保冷層厚度對儲罐內(nèi)熱分層現(xiàn)象的影響；Boryaev等［5］在液氫儲運的主要階段計算得出傳熱和傳質(zhì)主要參數(shù)，確定流體動力學過程的關(guān)系；Kang等［6］對不同充裝率條件下大容積低溫燃料罐中蒸發(fā)氣體和熱力學特性變化規(guī)律進行了實驗及模擬，得出充裝率與低溫液體燃料蒸發(fā)率近似呈二次函數(shù)關(guān)系；李家超等［7］建立了二維軸對稱流體體積（volume of fluid，VOF）模型預測液氫罐傳熱和傳質(zhì)行為；王浩任等［8］研究表明，自增壓過程中蒸汽和液體之間的熱流密度存在一定的分布，提出氣液內(nèi)壁能量交換過程的解析理論模型；朱華強等［9］的研究表明，在低溫絕熱氣體貯藏過程中，其氣相區(qū)的溫度分層現(xiàn)象更顯著；王朝等［10］對低溫儲液罐進行了模擬及實驗，結(jié)果表明，液氮加注過程與液氫加注過程相近，對液氫加注有一定借鑒作用。

以上研究主要側(cè)重液氫儲罐靜止狀態(tài)下的導熱安全性研究，但對運動工況下大容積車載液氫瓶的導熱安全性研究不足。本文針對槽車運動狀態(tài)下不同環(huán)境溫度、瓶內(nèi)壓力以及加速度對大容積車載液氫瓶傳熱特性的影響進行模擬研究，得出液氫瓶的縱截面溫度場、速度場和壓力場，分析其分布及傳熱規(guī)律。以期為大容積液氫瓶的使用、檢測及質(zhì)量評價提供理論指導。

1 數(shù)值模擬計算理論基礎(chǔ)

1.1 數(shù)值模擬基本方程

大容積車載液氫瓶在儲運過程中受到加速度影響，瓶身及瓶內(nèi)流體需滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程及能量守恒方程，其控制方程如下。

連續(xù)性方程為：

[?ρ?t+▽·ρv=Sm] （1）

動量方程為：

[??tρv+▽·ρvv=-▽·P+▽μ+μt▽v+▽vT+ρg]

（2）

能量方程為：

[??tρE+▽·vρE+p=▽·K▽T+Sh] （3）

式中：[ρ]——密度，kg/m3；[t]——時間，s；[v]——平均速度矢量，m/s；[Sm]——質(zhì)量源項，kg/（s·m3）；[P]——壓力，Pa；[μ]——動態(tài)分子粘度，Pa/s；[μt]——渦黏性，Pa/s；[g]——重力加速度，kg/m3；E——單位質(zhì)量的流體能量，W/kg；[Sh]——能量源項，W/m3。

1.2 導熱性的影響因素

本文以液氫瓶內(nèi)某點熱通量的變化大小衡量液氫瓶導熱性的強弱。

1.2.1 溫度對導熱性的影響

溫度對導熱性的影響主要體現(xiàn)在溫差上，導熱的基本計算公式為：

[φ=λAtw1-tw2δ] （4）

式中：[φ]——導熱量，W；[λ]——導熱系數(shù)，W/（m·K）；A——傳熱面積，m2；[tw1]、[tw2]——傳熱初始、結(jié)束時溫度，K；[δ]——傳熱距離，m。

熱通量是指單位時間通過單位面積的熱量，計算式為：

[q=φA=λΔtδ] （5）

式中：[q]——熱通量，W/m2；[Δt]——溫度差，K。

1.2.2 壓力對導熱性的影響

壓力因素主要通過影響液氫的蒸發(fā)氣體對流傳熱系數(shù)從而影響液氫瓶的導熱性，具體影響為：氣體對流傳熱系數(shù)與壓力正相關(guān)，這是因為氣體在壓力變化過程中，介質(zhì)的密度會隨之變化，從而改變了氣流的粘度，因此氣體的強制傳熱系數(shù)也會隨之改變。

1.2.3 速度對導熱性的影響

流速對傳熱過程的影響分為順流和逆流兩種情況。對于熱流量相同的流體，順流時流體的溫度與其對流換熱系數(shù)呈正比，逆流時則呈反比。同時，流速越高，傳熱介質(zhì)中的熱量轉(zhuǎn)移速度越快，從而使得傳熱過程加快。在實際傳熱過程中，流速對傳熱過程的影響可表示為：

[Q=ρ?Vs?Cp?t2-t1] （6）

式中：Q——熱量，J；[Vs]——介質(zhì)的流速，m/s；[Cp]——介質(zhì)在等壓條件下吸收或放出熱量的能力，J/（kg·K）；[t1]、[t2]——整個傳熱過程的開始、結(jié)束時間，s。

2 大容積車載液氫瓶導熱安全性能數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

2.1.1 模型建立

本文依據(jù)某氫能開發(fā)企業(yè)研制的大容積液氫瓶實物進行建模，如圖1所示。簡化后的氣瓶模型內(nèi)膽內(nèi)徑為1 m，筒體長度為2 m，外殼壁厚為0.02 m，體積為1.5708 m3，主體材料為奧氏體不銹鋼，導熱系數(shù)為0.012。模擬點O位于液氫瓶內(nèi)中心處，距離邊界0.5 m。流體域及其剖面模擬監(jiān)測點O位置分別如圖2、圖3所示。

2.1.2 模擬設(shè)置

選用多相流VOF模型并考慮重力因素；打開體積力，在相態(tài)相互作用里設(shè)置一個表面張力，其值為常數(shù)0.00372。

打開能量方程，在壁面上設(shè)置熱相關(guān)邊界條件。選擇混合，導熱系數(shù)為0.012 W/（m·K），流體溫度設(shè)置為16.5 K，外部輻射系數(shù)為1，外部輻射溫度為300 K，設(shè)置兩層殼傳導，生熱率均設(shè)置為10 W/m3。

采用壓力速度耦合算法帶算子分裂的壓力隱式（pressure-implicit with splitting of operators，PISO），梯度格式采用格林高斯單元法，其他離散方式如壓力項、動量方程、湍流動能、湍流耗散及能量方程均采用一節(jié)迎風格式。

2.2 網(wǎng)格劃分與模型驗證

2.2.1 網(wǎng)格劃分

對流體域建模，包括液氫和其飽和蒸汽。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對兩相流體域進行網(wǎng)格劃分如圖4所示，網(wǎng)格尺寸為0.05 m，總計35383個網(wǎng)格單元。

2.2.2 模型可靠性驗證

本文進行文獻［11］中液氫貯瓶傳熱和壓降晃動的模擬，實驗值和模擬結(jié)果對比如圖5所示。

由圖5可知，文獻［11］通過實驗得到的氣枕平均壓力[PGas]和模擬結(jié)果相似，壓力最小值的誤差如表1所示。最大誤差低于5%，認為所用流體域計算方法可應(yīng)用到本文氣瓶的計算中。

2.3 模擬工況及組別設(shè)置

為研究不同因素對于大容積車載液氫瓶的導熱性的影響，設(shè)置11組模擬，見表2。

保持瓶內(nèi)液體溫度[-256.65 ℃]（16.5 K）不變，改變瓶外大氣溫度、液氫瓶內(nèi)工作壓力以及運輸車加速度進行模擬。液氫瓶內(nèi)壓力一般為0.5～3.0 MPa，本文模擬選取壓力分別為0.5、1.0和3.0 MPa；取夏季平均最高溫34 ℃（307.15 K）、最低溫11 ℃（284.15 K）以及年均溫22 ℃（295.15 K）作為此次模擬溫度參量；考慮剎車與啟動，本文設(shè)置初速度為[0]、加速度分別為5和8 m/s2的加速運動及初速度為10 m/s、加速度為[-2] m/s2的減速運動。

3 模擬結(jié)果與分析

由模擬結(jié)果和式（5）可計算出液氫瓶內(nèi)中心點處的熱通量，其中中心點到瓶壁的距離即為傳熱距離[δ]為0.5 m，瓶內(nèi)外溫差由監(jiān)測點O測得。運動停止后各模擬中O點處熱通量值見表3。

以模擬工況1為例進行分析，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，液氫瓶內(nèi)溫度逐漸由中心向壁面升高，且壁面處溫度最高；加速度越大，溫度變化越明顯；溫度發(fā)生明顯變化的區(qū)域隨加速度方向改變而改變。

液氫瓶內(nèi)壓力場方向朝加速度的反方向偏轉(zhuǎn)；液、氣兩相的速度峰值位置由中央向四周擴散；液氫瓶內(nèi)的溫度變化逐漸影響到距離瓶壁較遠的中心，這是由于瓶內(nèi)介質(zhì)沖擊，使得瓶壁溫度局部升高，加快了導熱過程。

3.1 單一參數(shù)變化對液氫瓶導熱性影響分析

3.1.1 不同加速度對車載液氫瓶內(nèi)液氫熱物理性能的影響

當環(huán)境溫度和壓力保持不變，加速度分別為[-2]、5和[8 m/s2]時（模擬工況6、1、7），可知液氫瓶內(nèi)O點熱通量值由5.04×10-2 W/m2升高為8.16×10-2 W/m2。液氫瓶內(nèi)熱通量及其溫度均隨加速度的增大而增大，如圖7所示，當加速度大于5 m/s2時，O點處熱通量上升的趨勢更加顯著?？梢?，隨著加速度的增大，液氫的升溫速度加快。晃動增加了氣液界面的接觸面積，使過冷液氫進行了大量的吸熱。

3.1.2 不同壓力對車載液氫瓶內(nèi)液氫熱物理性能的影響

當加速度和環(huán)境溫度保持不變，壓力分別為0.5、1.0、3.0 MPa時（模擬工況1、4、5），可知液氫瓶內(nèi)O點熱通量值由6.48×10-2 W/m2降低為4.32×10-2 W/m2。大容積車載液氫瓶晃動模擬中的瓶內(nèi)O點液氫溫度和熱通量變化如圖8所示。

瓶內(nèi)熱通量及溫度均隨瓶內(nèi)壓力的增大而減少。當瓶內(nèi)壓力小于1 MPa時，O點熱通量減少趨勢更加顯著?？梢?，液氫吸收的熱量與瓶內(nèi)壓力呈反比；隨著壓力增大，儲瓶內(nèi)升溫速度降低，瓶內(nèi)熱通量減小。

3.1.3 不同溫度對車載液氫瓶內(nèi)液氫熱物理性能的影響

當加速度和壓力保持不變，溫度分別為284.15、295.15、307.15 K時（模擬工況3、2、1），可得O點熱通量由3.60×10-2 W/m2增大至6.48×10-2 W/m2。不同環(huán)境溫度下，大容積車載液氫瓶模擬中的瓶內(nèi)O點溫度和熱通量變化如圖9所示?？梢姡旭傔^程中環(huán)境溫度與瓶內(nèi)液氫吸熱量呈正比，環(huán)境溫度升高，瓶內(nèi)吸熱量增加，熱通量增加。

3.2 兩個參數(shù)耦合對液氫瓶導熱性影響分析

3.2.1 壓力與環(huán)境溫度耦合對導熱性的影響

結(jié)合表2中模擬工況1、8、9，即加速度保持不變，改變壓力與環(huán)境溫度，得到液氫瓶內(nèi)O點溫度和熱通量的變化如圖10所示。隨著瓶內(nèi)壓力增大，瓶內(nèi)液氫溫度和熱通量與環(huán)境溫度變化一致：先下降，再升高，點O處熱通量由開始的6.48×10-2 W/m2降低為3.60×10-2 W/m2，再升高到4.32×10-2 W/m2。由表3模擬工況1、2、5、9中O點處熱通量的值可見，壓力增加會減小由于環(huán)境溫度升高導致的瓶內(nèi)熱通量增幅。

3.2.2 加速度與環(huán)境溫度耦合對導熱性的影響

由表2中模擬工況6、3、10，即壓力保持不變，改變加速度與溫度，得到液氫瓶內(nèi)O點液氫溫度和熱通量的變化如圖11所示。隨著啟停加速度的增大以及環(huán)境溫度的先降后升，瓶內(nèi)溫度和熱通量呈先降低再升高的趨勢，點O處熱通量由開始的5.04×10-2 W/m2降低至3.60×10-2 W/m2，再升高為6.96×10-2 W/m2。由表3模擬1、2、7、10中O點處熱通量的值可見，加速度增大會減小由于環(huán)境溫度降低導致的瓶內(nèi)熱通量的降幅。

3.2.3 加速度與壓力耦合對導熱性的影響

結(jié)合表2中模擬工況6、4、11，即溫度保持不變，改變加速度和壓力大小，得到液氫瓶內(nèi)O點液氫溫度和熱通量的變化如圖12所示。隨著瓶內(nèi)壓力增大、加速度增大，瓶內(nèi)溫度和熱通量總體呈先緩慢升高再明顯降低的趨勢，O點處熱通量由開始的5.04×10-2 W/m2先升高為5.52×10-2 W/m2，再降低為3.84×10-2 W/m2。由表3模擬1、5、7、11中O點處熱通量的值可見，加速度增大會加大由于壓力升高導致的瓶內(nèi)熱通量的降幅。

4 結(jié)論

本文通過軟件模擬，以大容積車載液氫瓶導熱性能為研究對象，對影響液氫瓶內(nèi)介質(zhì)的晃動與傳熱特性的各種因素進行模擬分析。得出以下主要結(jié)論：

1）加速度、內(nèi)部壓力及環(huán)境溫度的變化均會對內(nèi)部液氫的溫度升高速率產(chǎn)生影響，具體影響為加速度越大、內(nèi)部壓力越低、環(huán)境溫度越高，液氫瓶內(nèi)的熱通量和液氫溫度就越高，不利于長途儲運。

2）車輛在行駛過程中，加速度、內(nèi)部壓力及環(huán)境溫度對液氫瓶傳熱的影響有耦合作用，加速度因素的參與使得環(huán)境溫度對液氫瓶傳熱的影響效果有所變化，具體變化為：加速度的增大會使得環(huán)境溫度降低所導致的瓶內(nèi)熱通量下降幅度有所減少。

3）車輛在行駛過程中，外界環(huán)境溫度越高、瓶內(nèi)壓力越小，啟停后溫度變化越明顯，這表明大容積車載液氫瓶外界輻射的環(huán)境溫度越大，瓶內(nèi)壓力越小，儲瓶內(nèi)氣相空間也隨之增大，氣相空間越大，熱通量就越高。且外界輻射的環(huán)境溫度因素比瓶內(nèi)壓力影響更大。

4）車輛在行駛過程中，瓶內(nèi)壓力越小、加速度越大，啟停后溫度變化越明顯，這表明車載液氫瓶加速度越大，內(nèi)部液氫所擁有的初始動能就越大，由于能量守恒所導致的穩(wěn)定狀態(tài)時內(nèi)部熱通量也就越大，溫度變化越明顯。

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SIMULATION STUDY ON THERMAL CONDUCTIVITY PERFORMANCE OF LARGE VOLUME VEHICLE LIQUID HYDROGEN

CYLINDER DURING STORAGE AND TRANSPORTATION

Sun Xiaowei1，Liu Yuhang2，Li Fei1，Hao Yongmei2，Guan Lingfeng1，Shen Jun1

（1. Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province， Changzhou 213125， China；

2. School of Safety Science and Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China）

Abstract：A numerical model was established based on the actual structure of vehicle-mounted liquid hydrogen cylinders in order to study the thermal conduction safety of the cylinders during the storage and transportation of large-volume vehicles. The internal temperature and heat flux changes of the cylinders were simulated and analyzed under the coupling changes of single parameters and multi-parameters under the start-stop conditions of the cylinders under various environmental temperature， pressure， and acceleration conditions. The findings demonstrate that the heat flux in the cylinder increases as acceleration increases when a single parameter is changed. The heat flux falls as cylinder pressure rises； the heat flux increases with increasing room temperature. When there is a two-factor coupling， an increase in acceleration reduces the impact of ambient temperature decrease on the heat flux in the cylinder while simultaneously enhancing the impact of pressure increase； an increase in pressure reduces the impact of an increase in ambient temperature on the heat flux in the cylinder. It offers a theoretical foundation for the safe application of large-volume liquid hydrogen cylinders installed in vehicles.

Keywords：heat flux； thermal conductivity； computational fluid dynamics； liquid hydrogen； large volume vehicle liquid hydrogen cylinder